THE DEVELOPMENT OF SPECIALIZED SHIP S PROPULSION SYSTEMS WITH THE AIM OF IMPROVING THEIR MANOEUVRING ABILITY IN THE ASPECT OF NAVIGATION SAFETY

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No THE DEVELOPMENT OF SPECIALIZED SHIP S PROPULSION SYSTEMS WITH THE AIM OF IMPROVING THEIR MANOEUVRING ABILITY IN THE ASPECT OF NAVIGATION SAFETY Jerzy Herdzik Gdynia Maritime University Morska 81/87, Gdynia, Poland tel: , fax georgher@am.gdynia.pl Abstract The paper presents the development of specialized ship s propulsion system during last twenty years. It was shown some applied solutions of propulsion systems and what aims were achieved: improving of manoeuvring ability, the achievement of propulsion system s high efficiency in very large range from the idling to full load and the increasing of navigation safety. Ship propulsion systems are more often applied, especially for ships which operate on the sea in special ways and need: ship positioning, very high manoeuvring abilities, other ships services, self manoeuvring even for cruise ships. These propulsion systems are not needed applying the steering gears. These functions: steering and propulsion do thrusters, which in these cases are built in twin systems. It ensures possibilities of ship s propulsion (motion) keeping, even in case of failure in one propulsion system. For reason of sea traffic increasing, especially on sea area, when this traffic needs co-ordination (VTS stations), ship equipped in modern propulsion system should ensure greater navigation safety for herself and should decrease collision risk for other ships situated on this sea area. The usage high-performance and efficiency active powerplants is a key for the enlargement of the safety of sea shipping. Keywords: specialized ship, ship s propulsion system, thruster, manoeuvring ability, navigation safety ROZWÓJ UK ADÓW NAP DOWYCH SPECJALISTYCZNYCH STATKÓW W CELU PODNIESIENIA ICH ZDOLNO CI MANEWROWYCH W ASPEKCIE BEZPIECZE STWA EGLUGI Streszczenie W artykule przedstawiono rozwój uk adów nap dowych specjalistycznych statków w okresie ostatnich dwudziestu lat. Podano stosowane rozwi zania oraz jakie cele uda o si osi gn : zwi kszenie zdolno ci manewrowych jednostek, uzyskanie wysokiej sprawno ci uk adów nap dowych w szerokim zakresie obci e od biegu ja owego do obci enia nominalnego oraz podniesienie bezpiecze stwa eglugi. Uk ady nap dowe z nowoczesnymi p dnikami s coraz powszechniej stosowane, szczególnie dla statków, które uprawiaj nietypow eglug i wymagaj : pozycjonowania jednostki, wysokich zdolno ci manewrowych, obs ugi innych statków, samodzielnego manewrowania nawet w przypadku du ych statków pasa erskich. Uk ady te nie wymagaj stosowania tradycyjnych maszyn sterowych. Funkcje sterowania i nap du jednostki spe niaj p dniki, które z tego powodu budowane s minimum w uk adach podwójnych. W zwi zku ze zwi kszaniem si ruchu morskiego, szczególnie na akwenach, na których ruch ten wymaga koordynacji (stacji kierowania ruchem), statek posiadaj cy nowoczesny uk ad nap dowy b dzie w stanie zapewni bezpieczn eglug dla siebie i zmniejszy zagro enie kolizyjne w stosunku do wszystkich jednostek znajduj cych si na danym akwenie. Stosowanie wysokosprawnych p dników aktywnych jest kluczem do zwi kszenia bezpiecze stwa eglugi. S owa kluczowe: statek specjalistyczny, uk ad nap dowy, p dnik, zdolno ci manewrowe, bezpiecze stwo eglugi

2 J. Herdzik 1. Wst p W okresie ostatnich dwudziestu lat wzros o zapotrzebowanie na statki specjalistyczne (AHTS, kablowce, rurowce, holowniki, statki pasa erskie), od których wymaga si zwi kszonej manewrowo ci. Zasadniczo wymaga si podniesienia jej do takiego poziomu, który umo liwi im w pe ni samodzieln prac nawet w ci kich warunkach morskich (np. AHTS) albo zwi kszy bezpiecze stwo eglugi poprzez podniesienie zdolno ci manewrowych jednostek (holowników) maj cych zapewni bezpieczne manewry portowo-redowe statków nieposiadaj cych takich w asno ci. Zasadniczo nale y spe ni dwa podstawowe warunki: zastosowa uk ady nap dowe zwi kszaj ce zdolno ci manewrowe; zapewni niskie zu ycie paliwa w bardzo szerokim zakresie obci e od biegu ja owego do obci enia nominalnego. Podniesienie zdolno ci manewrowych pozwala zwi kszy bezpiecze stwo eglugi, w tym bezpiecze stwo za óg tych statków oraz dok adno, prostot i skuteczno wykonania zamierzonego manewru (np. zdolno ci do dynamicznego pozycjonowania statku dla kablowców czy utrzymania si w danym punkcie nad dnem morza dla jednostek wiertniczych). Konieczno zwi kszenia manewrowo ci wymóg rozwój uk adów nap dowych, a wraz z nim bardziej powszechne ich stosowanie dla nowobudowanych jednostek [1]. 2. Wspó czesne p dniki okr towe Idealny p dnik okr towy winien umo liwi uzyskanie si y naporu mog cej dzia a w dowolnym kierunku w stosunku do osi g ównej statku (rys.1). Rys. 1. Mo liwo ci wytworzenia si y naporu w okre lonym kierunku przez p dniki okr towe Fig. 1. Possibilities of driving force creating by marine propellers P dnik o idealnej charakterystyce nie zosta jeszcze zbudowany. Parametry zbli one do idea u posiada p dnik Voitha-Schneidera (VSP) (rys.2), który jest w stanie osi gn w najs abszym kierunku do 85% si y naporu realizowanej w osi g ównej statku przy pracy naprzód [5]. Ma on jednak pewne wady, które ograniczaj pole jego zastosowa : jest drogi (najwi ksze nak ady inwestycyjne), zwi ksza zanurzenie statku (o d ugo p etw lub wysoko p etwy stabilizacyjnej), 212

3 The Development of Specialized Ship s Propulsion Systems with the Aim of Improving their Manoeuvring Ability wymaga konieczno ci stosowania os on na p dnik oraz budowy p etwy stabilizacyjnej (biernego steru), zwi ksza opór statku parametr istotny przy wi kszych pr dko ciach statku. 1 rotor casing, 2 blade, 3 thrust plate, 4 roller bearing, 5 propeller housing, 6 reduction gear, 7 bevel gear, 8 driving sleeve, 9 control rod, 10 servomotor, 11 gear pump. Rys. 2. P dnik VSP typ GII Fig. 2. Voith-Schneider Propeller type GII [5] Kolejn grup s p dniki azymutalne, budowane przez wielu producentów (KaMeWa, Schottel, Lips, Aquamaster, Wartsila- rys.3). Mog one pe ni rol nap du g ównego lub pomocniczego zast puj cego typowe stery strumieniowe, ale przy okazji mog pe ni funkcje nap du awaryjnego. Typowym rozwi zaniem jest stosowanie 2 p dników tego typu, ale mo liwe s bardziej rozbudowane rozwi zania z trzema i czterema p dnikami (rys.4), znacznie rzadziej spotyka si z wi ksz liczb. Rys. 3. P dnik azymutalny firmy Wartsila Fig. 3. Wartsila azimuth thruster 213

4 J. Herdzik Rozwi zanie z p dnikami azymutalnymi umo liwiaj tworzenie rozbudowanych uk adów nap dowych tworz cych nap d g ówny, pomocniczy lub awaryjny. Ukszta towanie p dników nie zwi ksza znacz co oporu statku w stosunku do nap du tradycyjn rub okr tow, ale umo liwia rezygnacj z budowy maszyny sterowej, poniewa funkcj t pe ni p dniki (zwane niekiedy aktywnymi) [2,3]. Rys. 4. Uk ad nap dowy z 3 i 4 p dnikami aktywnymi Fig. 4. Propulsion system with 3 and 4 thrusters Odmian tych p dników s uk ady z p dnikami gondolowymi (ang. azipod), które wyprowadzone s poza kad ub. Najcz ciej przekazanie mocy do nap du tych p dników odbywa si silnikiem elektrycznym umieszczonym w gondoli. Mo liwy jest te doprowadzenie mocy od silników spalinowych poprzez przek adnie k towe [6]. Jednostki szybkie, p ywaj ce z pr dko ciami powy ej 30 w z ów (54 km/h) wyposa one s najcz ciej w p dniki strugowodne (ang. waterjets) (rys. 5) [4]. Tradycyjne p dniki w tych warunkach maj ograniczone zastosowanie (spada ich sprawno, wyst puje zjawisko kawitacji, co znacz co ogranicza ich trwa o ). Typowym rozwi zaniem jest uk ad nap dowy z dwoma p dniami strugowodnymi. Dla jednostek, które maj porusza si z niewielkimi (a nawet zerowymi) pr dko ciami ich mo liwo ci manewrowe zmniejszaj si. Rys. 5. P dnik strugowodny Fig. 5. Waterjet W przypadku zastosowania regulowanych obrotowo dysz (zmiana kierunku strugi) zasadniczo nie ma problemów z samodzielnym manewrowaniem przy manewrach wej cia-wyj cia z portu. 3. Uk ady nap dowe jednostek specjalistycznych Uk ady nap dowe jednostek specjalistycznych wymagaj : mo liwo ci wykonania zamierzonego manewru przy niekorzystnym silnym wietrze oraz du ym falowaniu (okre lonym górn granic np. do stanu morza 8 0 B) wymaga to odpowiedniej mocy silnika (-ów) g ównego (-ów) rz du 3-15 tys. kw oraz uk adu nap dowego z p dnikami aktywnymi; 214

5 The Development of Specialized Ship s Propulsion Systems with the Aim of Improving their Manoeuvring Ability pozycjonowania jednostki, czyli utrzymywania konkretnego po o enia lub jego powolnej zmiany przy uzyskaniu zamierzonego kursu; uzyskiwania wymaganej si y uci gu mierzonej przy zerowej pr dko ci; uzyskiwania minimalnej pr dko ci przy samodzielnym ruchu; mo liwo ci d ugotrwa ej pracy na bardzo ma ych obci eniach, przy których jednak wyst puje oszcz dne zu ycie paliwa. Spe nienie jednoczesne ww. wymaga jest trudne, ale gdy uzgodni si rozwi zania kompromisowe, udaje si je zrealizowa. Uzyskiwanie za o onej si y uci gu wymaga doboru odpowiedniego typu i wielko ci p dnika oraz odpowiedniej mocy silnika go nap dzaj cego. Szacunkow zale no mi dzy moc silnika, a wielko ci si y uci gu przedstawia wzór [1]: Z 0,15 0, 3 N gdzie: Z si a uci gu na uwi zi [kn]; N moc silnika g ównego [kw]. Wielko wspó czynnika proporcjonalno ci zale y od typu p dnika, uk adu nap dowego jedno- lub dwuwa owego. Obserwuje si wzrost tego wspó czynnika, gdy uk ad nap dowy pracuje na obci eniach cz ciowych. Przyk adowo dla holownika z p dnikami aktywnymi o mocy nominalnej 3000 kw oczekuje si si y uci gu o warto ci 450 kn, natomiast ten sam holownik przy obci eniu silnika moc 1000 kw uzyska si uci gu oko o kn. Po o enie nacisku na uzyskiwanie du ego uci gu na uwi zi wymaga stosowania p dników, których sprawno przy pr dko ciach projektowych p ywania jest mniejsza, co spowoduje uzyskiwanie mniejszych pr dko ci p ywania w stosunku do p dników, które zaprojektowano na mniejszy uci g, ale s sprawniejsze przy pr dko ciach powy ej 10 w z ów (oko o 18,5 km/h). Mo liwo (gotowo ) wykonania manewru wymaga, aby p dniki by y zasprz glone z silnikami. Istniej takie ustawienia, dzi ki którym wypadkowa si a naporu od p dników wynosi zero, czyli jednostka zachowuje si neutralnie. Od tej pozycji wyj ciowej (i podstawowej w przypadku zagro enia lub wykonania nieprawid owego manewru) mo na zró nicowa kierunki dzia ania si naporu oraz ich wielko. W ten sposób powstaje si a wypadkowa, która umo liwi wykonanie zamierzonego manewru. Uk ad nap dowy jednostki umo liwiaj cej skuteczne i dok adne pozycjonowanie przedstawiono na rys.4b. Z analizy oraz praktyki eksploatacyjnej wynika, e dopiero uk ad 4 niezale nych p dników zapewnia taki stan. Uk ady takie stosowane s m.in. na jednostkach wiertniczych (poszukiwanie z ó ropy i gazu), dla których wymaga si dynamicznego pozycjonowania z u yciem systemu GPS z dok adno ci lepsz od 1 m nad okre lonym punktem dna morskiego (ze wzgl du na ryzyko z amania wiert a). W celu skutecznego manewrowania (mo liwo wykorzystania pe nej si y uci gu z minimum dwóch wybranych p dników) uk ad z 3 p dnikami (rys.4a) jest wzorcowy. Gorsze mo liwo ci maj uk ady z 2 p dnikami, ale mo liwo ci te bywaj z regu y satysfakcjonuj ce dla operatora - s dwa prawie równowa ne uk ady: z p dnikami na dziobie jednostki tzw. traktor (ang. tractor) (rys. 6) oraz z p dnikami na rufie tzw. pchacz (ang. pusher) (rys.7). W p dnikach tych cz ciej stosowane s prostsze i ta sze uk ady ze rubami o sta ym skoku. Wi ksze mo liwo ci daj uk ady z p dnikami o nastawnym skoku oraz o regulowanej pr dko ci obrotowej rub (poprzez np. sprz g a hydrokinetyczne) pozwala to na uzyskiwanie na p dniku pr dko ci obrotowej od zera do nominalnej, a zarazem umo liwia zmniejszenie obci enia silników nap dowych, co skutkuje zmniejszeniem zu ycia paliwa. Typowe stery strumieniowe nie s zasadniczo stosowane na tego typu jednostkach. Wymagaj budowania w kad ubie tunelu poprzecznego oraz s skuteczne (przydatne) tylko przy niewielkich pr dko ciach jednostki do oko o 2-3 w (3,5-5,5 km/h). 215

6 J. Herdzik Rys. 6. Holownik typu traktor z p dnikami VSP Fig. 6. Tractor tug with VSP drive Rys. 7. Holownik typu pchacz z p dnikami firmy Aquamaster Fig. 7. Pusher tug with Aquamaster drive 4. Sposoby utrzymywania wysokiej sprawno ci uk adów nap dowych Wysoka sprawno uk adu nap dowego wymaga odpowiedniego doboru wszystkich elementów tego uk adu tj.: silnika, przek adni, uk adu przekazania mocy, p dnika, z których ka dy winien zapewnia wysok sprawno w ka dym stanie eksploatacyjnym. Jednak to sprawno silnika i p dnika jest decyduj ca o sprawno ci uk adu nap dowego. Ze wzgl du na ryzyko niedopasowania elementów uk adu nap dowego, ich dobór coraz cz ciej jest dokonywany przez producentów p dników lub silników, którzy proponuj w projekcie wszystkie elementy uk adu nap dowego. Ogranicza to znacz co wp yw stoczni, która staje si wykonawc kad uba, instalacji i fundamentów pod urz dzenia. Za serce statku i jego automatyk odpowiada producent uk adu nap dowego. Silniki g ówne jednostek specjalistycznych pracuj przy bardzo zró nicowanych obci eniach. Dla holowników portowo-redowych czas obci enia powy ej 80% N nom nie przekracza 5% czasu eksploatacji, natomiast czas przeznaczony na oczekiwanie, pozycjonowanie, manewrowanie przekracza 50% przy obci eniach poni ej 10% N nom. Powoduje to konieczno pracy na paliwie lekkim (oleju nap dowym), dro szym paliwie, którego nie trzeba podgrzewa przed podaniem na 216

7 The Development of Specialized Ship s Propulsion Systems with the Aim of Improving their Manoeuvring Ability pompy wtryskowe. W celu zmniejszenia zu ycia paliwa przez silniki g ówne, konieczne jest zmniejszenie obci enia przez odbiorniki mocy (p dniki). Mo liwe jest to poprzez okresowe wyi zasprz glanie, stosowanie sprz gie hydrokinetycznych lub silników o bardzo niskiej pr dko ci biegu ja owego. W przypadku stosowania p dników ze rubami o nastawnym skoku zmniejszeniu skoku rub winna towarzyszy odpowiednio zmniejszona pr dko obrotowa silników (optymalizacja ze wzgl du na sprawno p dnika) [7]. W sposób po redni wp yw na sprawno uk adu nap dowego ma wiele innych czynników, jak: czysty, nieporo ni ty kad ub, odpowiednie ustawienie p dnika w dyszy Korta, kszta t dyszy Korta i odleg o mi dzy powierzchni dyszy a kraw dzi skrzyd a ruby (p dnika), zanurzenie jednostki, kierunek i si a wiatru, stan morza, oddzia ywanie obcych strumieni wody, sposób przeprowadzenia manewru (odpowiednie ustawienie jednostki wzgl dem obs ugiwanej umo liwia uzyskiwanie znacznie wi kszych si oddzia ywania oko o dwukrotnie wi kszych od uci gu nominalnego rys.9), z zachowaniem jednak zasad bezpiecze stwa manewrów szarpni cia stwarzaj ryzyko zerwania liny holowniczej, dlatego winna mie w miar mo liwo ci jak najwi ksz d ugo, w skrajnych przypadkach nawet m. Prób utrzymania wysokiej sprawno ci uk adu nap dowego, a zarazem zwi kszenia manewrowo ci oraz spe niania funkcji nap du awaryjnego s uk ady kombinowane z tradycyjnym nap dem jako g ównym oraz pomocniczym (p dniki chowane ang. retractable thrusters) pe ni cym pozosta e dwie funkcje (rys.8) [2]. Rys. 8. Kombinowany uk ad nap dowy typu CODED Fig. 8. CODED propulsion system [2] Spe nienie warunków wysokiej sprawno ci uk adu nap dowego, jego niezawodno ci, a zarazem wysokiej manwrowo ci jest trudnym zadaniem. Rozwój nowoczesnych p dników aktywnych oraz obni enie ich kosztów wytwarzania b dzie sprzyja tworzeniu pocz tkowo uk adów kombinowanych (szczególnie dla du ych statków), natomiast b d one powoli wypiera y tradycyjny nap d rub okr tow. 5. Uwagi ko cowe Wej cie na rynek eglugowy p dników aktywnych obserwuje si od kilkudziesi ciu lat. Jednak w ostatnich dwudziestu nast pi a ich ekspansja, zwi zana z budow specjalistycznych jednostek, 217

8 J. Herdzik dla których tradycyjny nap d okaza si nieefektywny. Zwi kszenie zapotrzebowania na p dniki aktywne spowodowa o konkurencj na rynku (coraz wi cej producentów) oraz rozwój techniczny i technologiczny budowy p dników (np. nowe typy). Powsta y propozycje nowych rozwi za uk adów nap dowych, w których p dniki aktywne s ju nieodzownym elementem. Przewiduje si dynamiczny rozwój tego rynku. Mo na spodziewa si propozycji nowych rozwi za np. p dników magnetohydrodynamicznych, które na razie s w fazie eksperymentalnej. Kierunkiem poszukiwa jest uk ad nap dowy statku, który zapewni dobre w asno ci manewrowe przy pr dko ciach eksploatacyjnych oraz bliskich zeru, wzrost pr dko ci eksploatacyjnych statku przy ograniczonym zu yciu paliwa (koszty paliwa przekraczaj ju 40% ca kowitych kosztów eksploatacji statku) st d poszukiwania uk adów nap dowych zapewniaj cych wysok sprawno. Powszechne stosowanie p dników aktywnych spowoduje wzrost bezpiecze stwa eglugi. Zjawisko to obserwuje si to ju obecnie. Lepsze wrogiem dobrego okazuje si sprawdza równie na bardzo konserwatywnym rynku eglugowym. Literatura [1] Balcerski, A., Boche ski, D., Uk ady technologiczne i energetyczne jednostek oceanotechnicznych, Wydawnictwo Politechniki Gda skiej, Gda sk [2] Levander, O., New propulsion concept for supply vessels of the future, Twentyfour7, Wartsila Quaterly Magazine No. 02 page 62-64, [3] Laheij, H., Wartsila thrusters the driving force behind dynamically positioned Offshore Applications, Twentyfour7, Wartsila Quaterly Magazine No. 01, pp , [4] Pakarinen, R., Cool cat, Twenty four 7, Wartsila Quaterly Magazine No. 03 page 60-61, [5] Voith Water Tractors. The Hallmark of Safety, Voith Publication No. n 2994 e. [6] Levander, O., Cargo RoPax with Wing Pods, Marine News No. 3, pp , [7] Balcerski, A., Modele probabilistyczne w teorii projektowania i eksploatacji spalinowych si owni okr towych, Fundacja Promocji Przemys u Okr towego i Gospodarki Morskiej, Gda sk,